Развитие химии в XIX веке. Периодическая система химических элементов

3. Таблица Менделеева

В 1869 году независимо от Мейера в «Журнале Русского химического общества» появилась таблица периодической системы более полная, чем какая-либо из опубликованных до тех пор. Автор, Менделеев, был крупным химиком и профессором в Петербурге. Он не только констатировал периодичность физических и химических свойств элементов как функцию атомного веса, но и вывел некоторы

е принципы, оказавшие большую услугу научному исследованию, чем классификация, потому что в качестве предвидений они составили путеводную нить для новых открытий. Первый и самый важный есть принцип атомной аналогии [сходства элементов в пределах ряда и группы], позволяющий, кроме исправления атомного веса элемента, в случае если он ошибочен, предвидеть существование ещё не открытых элементов. В 1870 году Менделеев дополнил предыдущую таблицу, что следует рассматривать как выражение его зрелых размышлений о периодической классификации.

В этой таблице имеется 8 вертикальных столбцов, которые содержат 8 групп элементов; валентность их по кислороду изменяется от 1 до 8 при переходе от группы I к группе VIII; элементы групп I, II, III и VIII обычных соединений с водородом не образуют, но элементы групп IV, V, VI и VII с ним соединяются, причём валентность по водороду уменьшается от группы IV к группе VII. Группа VIII содержит элементы различной валентности, которая варьируется от одновалентности (как у никеля) до восьмивалентности (как у осмия). Элементы этой группы проявляют обыкновенно промежуточные степени валентности: так, железо, кобальт и никель, как правило, бывают двух- и трёхвалентны, платина и её аналоги – двух- и четырёхвалентны и т.д.

Рассмотрим построение таблицы Менделеева. В ней имеется, как уже сказано. 8 групп (вертикальные столбцы) и 10 рядов (горизонтальные строки), кроме водорода и типических элементов. Элементы, находящиеся в одной и той же группе, характеризуются общей предельной способностью к соединению: по отношению к кислороду она варьируется от R2O в группе I до RO4 в группе VIII. Каждая группа содержит два вертикальных столбца. И входящие в них элементы образуют семейства, обладая не только одинаковой способностью к соединению, но и проявляя ярко выраженную аналогию в химическом поведении.

Ряды разделяются на нечётные (1, 3, 5, 7, 9) и чётные (2, 4, 6, 8, 10). Только в ряду 7 нет ни одного известного элемента. В таблице имеются пустые места, которые Менделеев в то время заполнил прочерками, указывавшими на ещё не известные элементы, но для которых на основании принципа атомной аналогии он установил атомный вес, приняв его средним между атомными массами двух соседних элементов того же ряда («гетерологичные элементы») и той же группы («гомологичные элементы»). Так, например, первое пустое место в III группе позволило предсказать существование элемента с атомным весом 44, потому что два гетерологичных элемента Ca=40 и Ti=48 дают в среднем 44. таким неизвестным элементам Менделеев дал предварительные наименования, добавляя приставку «эка» [по-санскритски – один, т.е. первый аналог] к названию элемента, непосредственно предшествующего «элементу» по группе. Поэтому неизвестный элемент группы III получил название экабор. Менделеев также предсказал физические и химические свойства этого элемента и его соединений.

В 1879 году Л. Ф. Нилсон (1840 - 1899) открыл среди редких земель скандий, который, как выяснилось, соответствовал экабору Менделеева: определение атомного веса дало значение 44,1 (в настоящее время для него принято значение 45,1).

Неизвестный элемент той же группы экаалюминий был открыт в 1875 году Лекоком де Буабодраном (1838 - 1912) и назван галлием; атомный вес был найден равным 70 (в настоящее время 69,72). Экасилиций в группе IV был открыт в 1886 году Клеменсом Винклером (1838 - 1904) и получил название германий; ему был приписан атомный вес 72 (в настоящее время 72,6).

Этих немногих примеров достаточно, чтобы подчеркнуть огромную важность классификации Менделеева и её значение как путеводной нити в исследовательской работе.

4. Видоизменённые таблицы

неорганический химия элемент периодический

Хотя классификация Менделеева и имела значительные достоинства, которые способствовали её быстрому распространению и превращению в руководящий критерий для исследований в области неорганической химии, она не была полностью лишена недостатков. Это побуждало тех, кто готов был принять её, к дальнейшим исследованиям с целью устранить или хотя бы объяснить первоначальные её несовершенства. Первый недостаток таблицы заключался в том, что водород как одновалентный элемент был помещён в начале I группы. Однако химики ещё не пришли к единому мнению. Следует ли водород помещать в эту группу, т.е., выражаясь более точно, химики считали, что водород не похож в химическом отношении на другие элементы этой группы.

Помещение элементов меди, серебра и золота в I группе вместе с щелочными металлами и в VIII группе вместе с металлами группы железа и группы платины явно непоследовательно. Другие отклонения замечаются в VI, VII и VIII группах, особенно в типах кислородных соединений таких элементов, как хром, молибден, уран, марганец, йод и другие.

Аугусто Пиччини (1854 - 1903) объяснил эти отклонения в классификации Менделеева, установив, что следует понимать под предельными формами соединения, и открыв неожиданные отношения между химическими свойствами элементов.

Для того чтобы периодическая классификация приобрела ещё большую предсказательную силу и одновременно могла быть усовершенствована, имели значение работы по неорганической химии, проведённые в последние десятилетия XVIII века. Толчком к пересмотру классификации послужили исследования редких земель, которые привели к выделению многих элементов, не поддававшихся обычному способу классификации (в соответствии с правилом расположения элементов согласно увеличению атомной массы), и к открытию благородных газов. Этот вопрос следует осветить более подробно.

Ко времени, когда Менделеев представил в виде таблицы периодическую систему, были описаны иттрий (Гадолин, 1794), церий (Берцелиус и Хисингер, 1803), эрбий (Мосандер, 1843), лантан (Мосандер, 1839), «дидим» Мосандера (1842), который, как было установлено позднее, оказался смесью двух элементов: неодима и празеодима (Ауэр фон Вельсбах, 1885). Указанные элементы были размещены Менделеевым в таблице в соответствии с критерием, с которыи нельзя было согласиться.

Беглый взгляд на группу редкоземельных элементов даёт представление о трудностях, связанных с их систематикой: критерий аналогии атомов не мог помочь Менделееву, как в случае экабора, экаалюминия и экасилиция; в этом случае этот критерий был лишён по крайней мере предсказательной силы, что снижало его научную ценность.

Ниже приводится список редкоземельных элементов в порядке увеличения атомных номеров (а следовательно, и увеличения атомных весов) и год их открытия.

 Скачать реферат